Астрономи, використовуючи можливості космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST), здійснили потенційно приголомшливе відкриття. Вони, можливо, виявили найвіддаленішу надмасивну чорну діру, коли-небудь зафіксовану. Цей колосальний об’єкт, що мешкає в галактиці GHZ2, знаходиться настільки далеко, що ми бачимо його таким, яким він був лише через 350 мільйонів років після Великого вибуху – моменту народження нашого Всесвіту.
Дослідження, яке команда вчених завантажила на сервер препринтів arXiv 4 листопада (і воно ще очікує на рецензування), базується на спостереженнях за допомогою приладів Вебба – Спектрографа ближнього інфрачервоного діапазону (NIRSpec) та Інструменту середнього інфрачервоного діапазону (MIRI). Ці передові інструменти дозволяють охоплювати широкий спектр довжин хвиль і вловлювати ультрафіолетове та оптичне світло, випромінюване цією стародавньою галактикою. Внаслідок розширення Всесвіту це світло розтягнулося і тепер спостерігається в інфрачервоному спектрі, що й дозволяє телескопу “зазирати” в минуле.
Оскар Чавес Ортіс, докторант кафедри астрономії Техаського університету в Остіні та головний автор цього дослідження, зазначив: “GHZ2 існує в час, коли Всесвіт був надзвичайно молодим. Це залишає відносно мало часу для надмасивної чорної діри та її галактики-господаря, щоб зрости разом”. У сучасному космосі чорні діри та галактики співрозвиваються, але виявлення такої системи настільки рано ставить під сумнів поточні уявлення про те, як надмасивні чорні діри могли набирати масу настільки стрімко.
Існують дві основні гіпотези щодо формування таких надмасивних чорних дір на ранніх етапах розвитку Всесвіту. Згідно з першою – це “легкі зерна”, які зростають з надзвичайною швидкістю, швидко поглинаючи навколишню матерію. Друга гіпотеза передбачає “важкі зерна” – чорні діри, що починають свій шлях із значною початковою масою, що дає їм вирішальну перевагу у зростанні.
Таємниці спектральних ліній
Відколи про відкриття галактики GHZ2 повідомили у 2022 році, астрономи активно використовували телескоп Вебба для пошуку віддалених галактик. Проте GHZ2 виділяється завдяки своєму спектру, який демонструє надзвичайно інтенсивні “емісійні лінії”. Це яскраві смуги світла, що випромінюються певними атомами чи іонами, коли їхні електрони отримують енергію, а потім вивільняють її на конкретних довжинах хвиль. Ці лінії містять важливі підказки про процеси, що живлять GHZ2.
Хорхе Завала, доцент кафедри астрономії Массачусетського університету в Емгерсті та співавтор дослідження, пояснив, що вони спостерігають емісійні лінії, для утворення яких потрібно багато енергії, відомі як лінії високої іонізації. Сучасне розуміння іонізації газу – нагрівання газу, яке перетворює атоми на іони шляхом втрати або отримання електронів – ґрунтується переважно на близько розташованих регіонах зореутворення і зазвичай не враховує таких інтенсивних ліній високої іонізації. Ці лінії, а також взаємозв’язок між ними, часто зустрічаються в активних ядрах галактик (АЯГ). АЯГ – це надзвичайно яскраві ділянки в центрах деяких галактик, де матерія активно падає на надмасивну чорну діру, випромінюючи величезну кількість енергії. Саме там присутнє набагато більш енергетичне випромінювання.
Вирішальним доказом стало виявлення емісійної лінії C IV λ1548, яка походить від тричі іонізованого вуглецю – тобто атомів вуглецю, що втратили три електрони. “Видалення трьох електронів вимагає надзвичайно інтенсивного радіаційного поля, чого дуже важко досягти лише за допомогою зірок”, – зазначив Чавес Ортіс. Активне ядро галактики, навпаки, природно виробляє такі високоенергетичні фотони. Сила цієї лінії рішуче вказувала на те, що GHZ2 може містити активно живлячу чорну діру, що спонукало дослідників до поглибленого аналізу.
Складна система
Оскільки GHZ2 є незвичайною системою, що ставить під сумнів існуючі моделі, дослідникам довелося розробити деталізовані моделі, аби відповідати її унікальній поведінці та зрозуміти внесок як зірок, так і активного ядра галактики у світло галактики. Цей процес включав постійне тестування та вдосконалення моделей, щоб забезпечити їхнє точне відображення властивостей галактики.
Їхній аналіз показав, що тоді як спектральні лінії у видимому світлі можна пояснити лише зореутворенням, особливо сильна лінія вуглецю вимагає наявності активного ядра галактики. Цей висновок свідчить, що частина світла галактики демонструє внесок від надмасивної чорної діри, що активно поглинає матерію.
Однак Завала зауважив, що GHZ2 не має деяких інших індикаторів активного ядра галактики. Це означає, що галактика може живитися переважно зірками – якщо ці зірки були надмасивними, з масами, що в сотні або тисячі разів перевищують масу Сонця, або якщо зореутворення в GHZ2 відбувалося значно інакше, ніж ми нині розуміємо.
Існує також інша можливість: світло галактики частково походить від звичайних зірок і частково від більш екзотичних джерел, таких як надмасивні зірки або активне ядро галактики.
Для подальшого підтвердження активності АЯГ, дослідники планують отримати більше спостережень за допомогою телескопа Вебба для збору спектрів деяких емісійних ліній з вищою роздільною здатністю. Додатково, спостереження з Великого міліметрового/субміліметрового масиву Атаками (ALMA), що охоплюють спектральні лінії в далекому інфрачервоному діапазоні, можуть поліпшити чутливість набору даних.
У разі підтвердження, GHZ2 стане місцем розташування найвіддаленішої надмасивної чорної діри, коли-небудь ідентифікованої. Виявлення ознак активності АЯГ у цій галактиці пропонує рідкісну природну лабораторію для перевірки конкуруючих моделей “легких зерен” і “важких зерен” формування та зростання чорних дір лише через кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху.
